Рожденный жизнью. Уран: от атома до месторождения

    Максимилиан Волошин

Зададимся такими вопросами: как вообще появился уран на Земле? Откуда взялись минералы урана? Они всегда были на Земле? Но ведь когда-то и Земли не существовало! Значит, весь уран из космоса? А разве в космосе барражируют минералы урана? Про железные метеориты слышал каждый, а вот про урановые…

Давайте разбираться. И начнем издалека. Из такого далека, в котором ничего не было. Вообще ничего. Даже света. «И сказал Бог: да будет свет. И стал свет…» – и далее по тексту. Если посмотреть с позиций креационизма, все давным-давно описано и разъяснено в книге Бытия: Земля, и все, что на ней и в недрах, было создано в ходе акта Творения, причем ударными темпами.

Если же встать на путь эволюционизма, то процесс формирования нашего мира выглядит несколько дольше недели. Но, что примечательно, космология, как и Библия, утверждает: в Начале Начал произошло отделение Света от Тьмы: примерно 13,8 млрд лет назад случился Большой взрыв, когда Пространство, Энергия и Материя возникли из непостижимой Пустоты. Проверить опытным путем это невозможно, и выводы ученых, как и утверждения теологов, остается принимать на веру.

Собственно, Большой взрыв не привел к образованию минералов. Никакие кристаллические соединения не могли образоваться и тем более сохраниться в бешеном вихре, явившемся из Ниоткуда. По расчетам физиков, понадобилось около полумиллиарда лет, чтобы в остывающем котле Большого взрыва образовались первые атомы – атомы водорода и гелия.

Спустя еще каких-то 300 миллионов лет под действием гравитации возникли первые звезды, в недрах которых начались термоядерные реакции и образование более тяжелых элементов – вплоть до железа. Сегодня принято считать, что все элементы тяжелее железа, в том числе уран, возникли в результате взрывов сверхновых.

Но недавние изыскания специалистов в этой области предполагают более экзотические процессы. Ученые считают, что здесь замешаны так называемые примордиальные черные дыры – небольшие аналоги «обычных» черных дыр звездной массы, возникавшие в первые мгновения жизни Вселенной из особо плотных скоплений темной материи. Они обладали множеством необычных свойств, в том числе способностью проникать внутрь более крупных объектов, не разрывая их на части, как это делают обычные черные дыры[7 - Cotner E., Kusenko A., Primordial black holes from scalar field evolution in the early universe // Phys. Rev. 2017, V. 96. doi:10.1103/PhysRevD.96.103002.].

При столкновении с пульсаром примордиальная черная дыра буквально «выедает» его изнутри. В соответствии с законами физики, уменьшение радиуса приводит к резкому возрастанию скорости вращения пульсара, да так, что от него начинают отлетать «ошметки».

Материя нейтронной звезды, обладающая сверхвысокой плотностью и полностью состоящая из нейтронов, после подобного «катапультирования» становится нестабильной и превращается в «обычную» материю, при этом рождаются атомы тяжелых элементов.

Именно тогда в космосе появился и уран. Пока только элемент уран, а не его минералы. По оценкам ученых это случилось около 6,6 млрд лет назад. В это же время во Вселенной образовались и первые минералы, это были кристаллы чистого углерода – графит и алмаз. Да-да, небо расцветилось алмазами, правда, чрезвычайно мелкими – размерами с наночастицы. Постепенно к первым углеродистым образованиям начали добавляться и другие высокотемпературные твердые вещества, сложенные из соединений кальция, магния, азота и кислорода.

Перенесемся вперед во времени – примерно на 9 миллиардов лет от Большого взрыва.

На задворках Галактики, где-то на полпути от центра Млечного пути в это время существовало гигантское облако, состоящее из газа и ледяной пыли. Такие межзвездные облака существуют многие миллионы лет без видимых изменений, но иногда какое-нибудь событие может привести к нарушению равновесия, например, ударная волна от взрыва ближайшей звезды. Вероятно, похожий спусковой механизм 4,7 млрд лет назад послужил началом формирования Солнечной системы. Получив импульс начального сжатия и вращения и пополнившись новым веществом, «наше» облако начало сжиматься под действием собственного гравитационного поля. Сначала очень неторопливо вихревые потоки, состоящие из газа и пыли, стали втягиваться внутрь, образуя спираль, сходящуюся в центре формирующегося газового сгустка. По мере нарастающей гравитации облако крутилось все быстрее и быстрее, сжимаясь и ускоряя вращение, оно уплотнялось и расплющивалось в форме диска, в центре которого росло новое небесное тело – наше будущее Светило. Постепенно давление и температура внутри шара поднялись до точки ядерного синтеза, и… Солнце зажглось.

Подробности процессов, сформировавших Землю и другие тела Солнечной системы, частично сохранились в метеоритах. Самые распространенные из них – хондриты, возраст которых определен учеными в 4,65 млрд лет. Они образовались, когда ядерный реактор Солнца пришел в действие и колоссальный выброс энергии воспламенил окружающее пространство. Вспыхнувший огненный смерч сплавил частицы межзвездной пыли в крохотные вязкие капли – хондры (от др.-греч. ??????? – зерно, гранула). В результате пульсирующего излучения молодого Солнца хондры переплавлялись и цементировались (спекались) микроскопическими частичками космической пыли – образовывались хондриты. Это происходило в короткий промежуток времени между рождением Солнца и формированием планет.

Вращение газово-пылевого облака продолжалось несколько миллионов лет. В космической центрифуге хондриты сталкивались и спаивались в более крупные тела – планетезимали. Энергия, возникающая при их столкновении, не уступала ядерной, а запредельные температуры и давление приводили к переплавлению хондр и возникновению новых минералов. Наиболее тяжелые из них «стекали» к центру планетезималей, образуя плотное железо-никелевое ядро, которое обрамлялось вязкой оболочкой из минералов кремния.

Столкновение планетезималей не всегда приводило к их слиянию, иногда, соударяясь, они вновь рассыпались на мелкие «брызги», образуя другой тип метеоритов – ахондриты, в которых хондры уже были переплавлены с образованием новых минералов. Из железо-никелевых ядер, разрушенных планетезималей, образовывались железные метеориты, а из краевых «корок» – «каменные».

По оценке американского ученого Роберта Хейзена, минеральная история Вселенной началась с образования всего двух минералов – графита и алмаза, через несколько миллионов лет в звездной пыли присутствовало уже около десятка новых минеральных образований. В хондритах их количество достигает шести десятков, а в ахондритах – порядка 250[8 - Hazen R. M., Papineau D., Bleeker W., et al. Mineral evolution // American Mineralogist/ 2008, V. 93. P. 1693—1720.].

А что уран? Химические анализы показывают, что в метеоритах он уже содержится. В углеродистых хондритах его содержание достигает 0,0074 ppm (в процентах это составляет – 0,00000074%), в ахондритах – немного больше – 0,07—0,15 ppm (или 0,000007—0,000015%). Но собственно минералы урана в метеоритах пока отсутствуют, в микроскопических количествах он прячется в межзерновом пространстве метеоритов или входит в состав других минералов.

Но не все планетезимали соударяясь вновь рассыпались метеоритами, некоторые достигли очень больших размеров и известны как астероиды, другие и вовсе превратились в планеты, как в малые, так и в полновесные, которые сегодня известны как Марс, Венера, Земля…

Итак, Земля сформировалась. И на ней появился уран. Все-таки из космоса (откуда ж ему еще взяться). Но минералов урана на планете все еще нет. Молодая Земля слеплена из мешанины хондритов, ахондритов, обломков мелких планетезималей, протопланет, и на ней царит первозданный хаос.

Одни исследователи, как, например, Р. Хейзен или В. Е. Хаин, считают, что Земля формировалась как раскаленный шар и первые земные минералы начали формироваться на поверхности остывающей планеты на границе с холодным космосом. Другие, как О. Ю. Шмидт или Дж. Койпер, полагают, что Земля никогда не была полностью расплавленным космическим телом. Изначально она была холодной, и падающие планетезимали только обжигали Землю, но при отсутствии атмосферы место удара быстро остывало.

Новорожденная Земля, «роды» которой продолжались порядка 10 миллионов лет, имела достаточно однородный состав – не существовало еще ни земного ядра, ни коры, ни атмосферы, ни гидросферы. Первичное вещество планеты по усредненному составу представляло резко выраженную ультраосновную породу. Планета представляла собой суровую холодную пустыню с черным небом, яркими немигающими звездами, желтым слабо греющим Солнцем, светимость которого была на 25—30% ниже современной, и непомерно большим диском Луны. Рельеф напоминал испещренную кратерами поверхность Луны, недра были сложены темно-серым первичным веществом. Других пород на Земле пока не существовало.

Изначально холодной была наша юная планета или представляла раскаленный шар, можно было бы с уверенностью сказать, имея в руках неопровержимые доказательства в виде сохранившегося каменного материала первичного вещества. Сегодня можно делать самые различные предположения о том, чем была изначально сложена поверхность Земли, но пикантность ситуации в том, что первоначальные породы, покрывавшие тогда планету, не сохранились, они… утонули. В этом сходятся апологеты как «холодной», так и «горячей» теории происхождения Земли. Правда, они предлагают различные варианты течения событий, но сходятся в одном: в ходе развития планеты первичное вещество оказалось тяжелее и опустилось в раскаленную магму, где переплавилось с образованием новых минералов и горных пород.

Несмотря на колоссальные усилия геологов всего мира найти самые древние породы Земли, достоверно определенный возраст наиболее древних образований не превышает 3,75—3,8 млрд лет, в то время как возраст планеты определяется в 4,6 млрд лет. То есть никаких материальных свидетельств о составе земли за первые 800 миллионов лет не сохранилось? Почти не сохранилось!

В начале века появились сообщения австралийских геологов о находках обломочных зерен минерала циркона, с возрастом… 4,2—4,3 и даже 4,4 млрд лет. О них стоит рассказать подробнее. Тем более что уран имеет к ним прямое отношение.

Уран очень долго не мог обзавестись собственными минералами – более полутора миллиардов лет он находил себе убежища на поверхностях и в микротрещинах пород, входил в состав расплавов, растворов, в общем, крутился как мог. Значительное количество атомов урана приютилось в кристаллических решетках чужих минералов, где они и расположились с комфортом, словно кукушата в неродном гнезде.

Процесс этот в минеральном царстве не так уж и редок и называется изоморфизмом – когда атомы одного химического элемента замещают в кристаллической решетке атомы другого, сходного по размерам. Чаще всего «для проживания» атомы урана выбирали именно минерал циркон (Рис. 1). Надо сказать, что и выбор минералов первые полтора миллиарда лет был не слишком богат. Циркон оказался очень гостеприимным: его кристаллы помимо урана часто вмещают атомы гафния, редких земель, ниобия, тантала, тория; содержания урана в цирконе достигают 1,5%, а иногда и больше!

Рис. 1. Зерно циркона под микроскопом. Увеличение 320 раз.

По [Таусон, 1961[9 - Таусон Л. В. Геохимия редких элементов в гранитоидах. – М.: Изд-во Акад. Наук СССР, 1961. – 231 с.]]. а – микрофотография зерна; б – микрорадиография того же зерна. Темные полоски – треки от распадающихся радиоактивных элементов

Химический элемент цирконий обзавелся собственным кристаллическим «домом» одним из первых на Земле, при этом получившийся минерал циркон оказался на редкость прочным. Хотя он и уступает по твердости алмазу, но в отличие от последнего стойко переносит ударные нагрузки.

Изучая архейские конгломераты и песчаники возрастом 3,5 млрд лет, австралийские ученые выделили из них небольшие кристаллики цирконов, возраст которых оказался равным почти 4,4 млрд лет[10 - Wilde S., Valley J. W., Peck W. H., Graham C. M. Evidence from detrital zircons for the existence of continental crust and oceans on the Earth 4.4 Gyr ago // Nature. 2001, V. 409 (6817). P. 175—178.]. Как такое может быть – породы одного возраста, а минералы в ней намного старше? Объяснение простое: цирконы были вымыты из более древних, первозданных пород.

В неблагоприятных химических условиях кристаллы циркона начинают растворяться, но только лишь обстановка наладится, они снова приступают к самосборке, словно птица Феникс. Процесс этот исследован еще недостаточно. Как отмечает Т. В. Каулина (доктор геолого-минералогических наук, сотрудник Кольского научного центра РАН): «Практически нет работ, посвященных выявлению общих закономерностей образования и преобразования циркона в природе». Кроме того, нам почти ничего не известно о том, какова была химическая среда на протопланетной поверхности[11 - Каулина Т. В. Образование и преобразование циркона в полиметаморфических комплексах. – Апатиты: Кольский научн. центр РАН, 2010. – 144 с.]. Среди архидревних кристаллов циркона попадаются экземпляры с «луковичным» строением, сердцевина которых окружена рядом более молодых слоев. При этом прослеживается закономерность – чем ближе к центру минерала, тем богаче концентрация урана: кристаллы циркона частично растворялись, выпуская в «свободный полет» своих урановых и прочих «кукушат», входящих в кристаллическую решетку, а затем обрастали новыми, уже «очищенными» слоями (Рис. 2).

На разрушение цирконового «убежища» влияли не только внешние факторы среды, но и некоторые «квартиранты». Радиоактивные частицы, образующиеся в ходе распада урана, разрушали структуру циркона изнутри, в результате чего он становился метамиктным[12 - Метамиктизация – переход кристаллических минералов в аморфное состояние в результате радиоактивного превращения элементов, входящих в их состав. Метамиктизация происходит в результате нарушения связей в кристаллической решетке под воздействием радиоактивного излучения. Но при нагревании метамиктичные минералы способны вернуться к первичному состоянию.]. Конечным продуктом радиоактивного превращения урана является радиогенный свинец, размер атомов которого больше, чем у элементов, входящих в минерал циркон. Атомы свинца втискиваются в кристаллическую решетку циркона, словно медведь в теремок, и кристалл как бы «распирает». Его правильная форма нарушается. Такой циркон называют уже иначе – циртолитом[13 - От греческого «киртос» – кривой, выпуклый (имеется в виду искривленность граней кристаллов).].

Рис. 2. Фотография зонального циркона, полученная катодолюминисцентным методом. Для наглядности зоны окрашены. Возраст кристалла около 4,4 млрд лет. [Изображение с сайта livescience.com[14 - Confirmed: Oldest Fragment of Early Earth is 4.4 Billion Years Old [Электронный ресурс] // livescience.com. URL: https://www.livescience.com/43584-earth-oldest-rock-jack-hills-zircon.html (дата обращения: 28.07.2022).]].

Радиусы атомов, составляющих минерал циркон (ZrSiO

) следующие:

цирконий Zr – 160 пм, кремний Si – 132 пм, кислород О – 60 пм,

уран U – 138 пм, а свинец Pb – 175 пм.

Пикометр (пм) – единица измерения длины, равная одной триллионной (то есть 1/1.000.000.000.000) части метра. Пикометр меньше нанометра в тысячу раз.

Известно, что элемент уран состоит из двух основных изотопов:

U и 

U, – причем

U распадается быстрее, а значит миллиарды лет назад его было больше. Поэтому процесс разрушения кристаллической решетки циркона протекал тогда быстрее[15 - В природе существует несколько изотопов урана, важнейшими являются уран-238 (

U) и уран-235 (

U). Первого на Земле примерно 99,3%, а второго – какие-то несчастные 0,7%. Они отличаются временем распада. Период полураспада урана-238 составляет 4,5 миллиарда лет, а урана-235 – 700 миллионов лет. То есть за 4,5 миллиарда лет количество урана-238 уменьшилось на земле в два раза, а уран-235 уменьшается вполовину каждые 700 миллионов лет. Простые арифметические подсчеты показывают, что за те же 4,5 миллиарда лет количество изотопа урана-235 сократилось почти в семьдесят раз. То есть в первых цирконах концентрация высокоактивного

U была в десятки раз выше.]. Но существовал в то время еще один, еще более короткоживущий радиоактивный изотоп – плутоний-244.

В журнале «Science» в октябре 2004 года была опубликована статья американских геологов[16 - Turner G., Harrison T. M., Holland G., et al. Extinct 244Pu in ancient zircons // Science. 2004, V. 306. P. 89—91.], в которой приводились доказательства былого наличия плутония-244 (

Pu) в исследованных цирконах. Этот ныне потухший изотоп имел период полураспада всего 82 миллиона лет и «вымер» в течение первых 600 миллионов лет после образования Земли. Но его присутствие еще более ускоряло процесс разрушения древних цирконов.

Освобождавшиеся из кристаллической решетки атомы урана «выпархивали» на свободу и при благоприятных обстоятельствах готовы были образовывать свои устойчивые минеральные соединения.

Кроме циркона уран в виде изоморфных включений входит в состав апатита, монацита, пирохлора, колумбита и других минералов, правда, не в таких количествах.

Да, у геологов нет образцов первичных пород Земли, и все же, в их руках есть реальные «образцы» урана того времени. Правда, микроскопические. Ну, уж что сохранилось…